Demandez à presque tous les physiciens quel est le problème le plus frustrant en physique moderne, et ils diront probablement l'écart entre la relativité générale et la mécanique quantique. Cet écart est une épine à l'écran de la communauté physique depuis des décennies.
Bien qu'il y ait eu des progrès sur les théories potentielles qui pourraient rectifier les deux, il y a eu peu de preuves expérimentales pour soutenir ces théories. C'est là que Selim Shahriar de la Northwestern University, Evanston, entre en jeu. Il prévoit de travailler sur un concept appelé la mesure ultra-précis de l'espace de la signature principale de la gravité quantique (Supreme-GQ), ce qui, selon lui, aidera à collecter des données expérimentales précises sur le sujet une fois et pour tous.
Pour le dire franchement, l'expérience est compliquée. En son cœur, il utilise une plate-forme basée sur l'espace transportant un capteur entanglé quantique et quelques systèmes de positionnement précis. Mais comprendre pourquoi il est utile de tester d'abord la gravité quantique nécessite une explication. Regardons d'abord l'un des principes les plus célèbres de la relativité générale – le principe de l'équivalence.
Le principe d'équivalence stipule que la gravité et l'accélération sont les mêmes. Il est au cœur de la relativité générale, qui traite la gravité comme une courbe dans l'espace-temps plutôt que comme une force fondamentale. Mais de nombreuses théories de la gravité quantique prédisent un écart par rapport à cette équivalence à des échelles infimes – où la mécanique quantique commence à prendre le relais.
Pour décrire cette déviation, les physiciens utilisent un terme connu sous le nom de paramètre Eötvös. Il explique à quel point la masse gravitationnelle et la masse inertielle sont liées. En général, la relativité, au moins, ils devraient être les mêmes. Cependant, à mesure que les choses se rapprochent du domaine de la mécanique quantique, certaines théories qui prétendent offrir une théorie de la gravité quantique commencent à voir une divergence entre les deux, qui est représentée comme une valeur non nulle pour le paramètre Eötvös.
Jusqu'à présent, la valeur de ce paramètre a été testée à environ 10-15 par l'expérience du microscope, qui a été spécialement conçu pour tester cette théorie. Les chercheurs dirigeant ce projet ont publié un rapport en 2022, et il reste notre mesure la plus précise du paramètre Eötvös à ce jour.
Cependant, le microscope a utilisé des accéléromètres traditionnels, qui – alors qu'ils fournissaient une estimation de plus de 100 fois, ce qui pourrait être obtenu sur Terre – n'étaient pas suffisamment précis pour mesurer au 10-18 Le niveau, où les théories telles que la théorie des chaînes prédisent, il peut y avoir un écart dans le paramètre.
Entrez le Dr Shahriar et son équipe. Leur objectif est de développer une plate-forme spatiale qui utilise des interféromètres d'atome pour contraindre la valeur des paramètres à 10-20à quel point il pourrait potentiellement prouver ou réfuter certaines théories de la gravité quantique. Mais pour y arriver, ils doivent d'abord faire beaucoup de bases.
Une étape du processus consiste à comprendre comment l'intrication quantique pourrait être utilisée dans ces interféromètres d'atome (AIS). L'ASI fonctionne en utilisant la double nature des atomes (qui a une dualité d'onde / particule similaire à la lumière) et de diviser un faisceau d'atomes sur des chemins séparés à l'aide de lasers. Dans le cas de l'expérience du Dr Shahriar, ce seraient des atomes de rubidium. Une fois divisé, s'ils ne sont pas observés, ils entrent dans un État équivalent à la célèbre expérience de mécanique quantique de chats de Schrödinger.
Cependant, la création d'un tel état mécanique quantique n'a jamais été fait auparavant, ce qui est la prochaine étape du travail de développement du Dr Shahriar. Son équipe a développé le «protocole de compression d'écho généralisé», qui leur permet théoriquement de maintenir l'état quantique enchevêtré pendant de longues périodes. Cela permettrait des mesures précises des écarts entre les deux états lorsqu'ils sont finalement recombinés, et ces écarts pourraient conduire à une mesure très précise du paramètre Eötvös.
La technologie sous-jacente, que l'équipe a appelé un « Interferomètre Cat Atom de Schrödinger » (SCAI) dans un récent communiqué de presse, pourrait également être utilisé pour les applications sur Terre. Si possible, en utilisant leur implémentation théorique, ces capteurs seraient des milliers de fois plus précis que les accéléromètres ou gyroscopes typiques, qui sont déjà utilisés dans diverses applications telles que les systèmes de guidage et de navigation et l'automobile.
Il y a encore beaucoup de travail à faire, même pour prouver que la mise en œuvre théorique de cette technologie est possible dans le monde réel. Une fois que les gens commencent à fonctionner avec des incertitudes quantiques, les choses ont tendance à devenir délicates, pas seulement pour les chats théoriques. Mais, si le Dr Shahriar et son équipe fabriquent un SCAI fonctionnel à l'espace, nous serons enfin quelques pas plus près pour réconcilier vraiment l'un des plus grands problèmes de la physique moderne.
